硅和硅片制备课件.ppt

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1、半导体制造技术第4章硅和硅片制备4.1引言硅是用来制造芯片的最重要半导体材料。对于可用于制造半导体器件的硅而言。使用一种特殊纯度级以满足严格的材料和物理要求。在硅片上制作的芯片的最终质量与开始制作时所采用的硅片的质量有直接关系。如果原始硅片有缺陷，那么最终芯片上也肯定会存在缺陷。对硅片以及制备过程的了解有助于理解硅片在整个芯片制造过程中的重要性。纯硅要求将硅原子级的微缺陷降到最小，这些缺陷对芯片的性能是非常有害的。一旦得到了纯硅，就要把它制作成带有想要的晶向、适量的掺杂浓度和半导体芯片制备所需物理尺寸的硅片。本章要点1.

2、了解硅原材料如何精炼成半导体级硅；2.解释晶体结构和单晶硅的生长方法；3.讨论硅晶体的主要缺陷种类；4.了解硅片制备的基本步骤，也就是从硅锭到硅片的制作过程；5.解释什么是外延及其对硅片的重要性。4.2半导体级硅表4.1用来制造芯片的高纯硅称为半导体级硅（Semiconductor-GradeSilicon），简称SGS，从天然硅中获得达到生产半导体器件所需纯度的SGS通常通过下面几个步骤来实现。上面简单介绍的生产半导体级硅(SGS)的工艺称为西门子工艺。半导体级硅具有半导体制造要求的超高纯度，它包含少于百万分之（ppm

3、）二的碳元素和少于十亿分之(ppb)一的Ⅲ、Ⅴ族元素（主要的掺杂元素）。然而用以上工艺生产的硅，未必是我们所希望的按照某种序列排列硅原子的晶体。下面我们将讨论晶体结构以了解半导体级硅正确的原子排列。4.3晶体结构不仅SGS的超高纯度对制造半导体器件非常关键，而且它也要有几乎完美的晶体结构。只有这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械缺陷。单晶是一种固体材料，它的特点是在许多原子长程范围内，原子都在三维空间中保持有序且重复的排列结构，如图4.2所示。非晶材料同样也是固体材料，但它们没有重复的结构，并且在原子级结构上体现的

4、是杂乱无序的结构（见图4.3）。图4.2晶体结构的原子排列图4.3非晶原子结构晶胞图4.4三维结构的晶胞晶胞在晶体材料中，对于长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞。晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重复单元，它给出了晶体结构。下图给出了由晶胞组成的三维结构。图4.5面心立方（FCC）晶胞图4.6面心立方金刚石结构对于硅晶体来说，其晶胞如图4.6所示，它是由俩个面心立方沿对角线位移四分之一构成的面心立方金刚石结构，如右图所示。和面心立方不同之处的是体对角线上还有四个原子，所以对硅晶胞来说，一个晶胞总共有8个完整的原子

5、,其中4个共有原子和4个非共有原子。ZXY1110图4.8晶胞的坐标轴方向晶向晶向非常重要，因为它决定了在硅片中晶体结构的物理排列是怎样的。不同晶向的硅片，其化学、电学和机械性能是不一样的，而且会影响工艺条件和最终的器件性能。为了描述晶向，我们需要一个坐标系，如图4.8所示。对于单晶结构，所有的晶胞就会沿着这个坐标轴重复地排列。ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)图4.9晶面的密勒指数用来描述硅晶体平面及其方向的参数称作密勒指数，其中（）用来表示特殊的平面，而<>表示对应的方向。4.5单晶硅的生长CZ(Czo

6、chralski)法CZ直拉单晶炉掺杂杂质控制区熔法追求更大直径的理由籽晶熔融多晶硅热屏蔽水套单晶硅石英坩锅碳加热部件单晶拉伸与转动机械CZ法图4.10CZ直拉单晶炉Photo4.1用CZ法生长的硅锭Photo4.2CZ拉单晶炉CZ法的特点是工艺成熟，能较好地拉制低位错、大直径的硅单晶。缺点是难以避免来自石英坩埚和加热装置的杂质污染。为了在最后得到所需电阻率的晶体，掺杂材料被加到拉单晶炉的熔体中，晶体生长中最常用的掺杂杂质是生产p型硅的三价硼或者生产n型硅的五价磷。硅中的掺杂浓度范围可以用字母和上标来表示，如下表所示。表

7、4.2硅掺杂浓度术语区熔法RF气体入口(惰性)熔融区可移动RF线圈多晶棒(硅)籽晶惰性气体出口卡盘卡盘图4.11区熔法晶体生长示意图晶圆尺寸和参数表4.388die200-mmwafer232die300-mmwafer更大直径硅片上芯片数的增长图4.13300毫米硅片尺寸和晶向要求的发展说明表4.44.6硅的晶体缺陷为了很好地实现先进的IC功能，半导体要求近乎完美的晶体结构。晶体缺陷（也称微缺陷）就是在重复排列的晶胞结构中出现的任何中断或杂质的引入。在硅的生长或加工过程中不产生一个缺陷是不可能的。然而，现代工艺已经可以

8、生产缺陷密度非常低的硅。缺陷密度是在每平方厘米硅片上产生的缺陷数目。在硅中主要存在三种普遍的缺陷形式：点缺陷：原子层面的局部缺陷位错：错位的晶胞层错：晶体结构的缺陷点缺陷点缺陷存在于晶格的特定位置。图4.15显示了三种点缺陷。最基本的一种缺陷是空位。这种缺陷当一个原子从其格点位置移动到晶体表面时出现。另一种点缺陷是间